KR20190048775A

KR20190048775A - 전기화학센서 전극 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20190048775A
Application number: KR1020170143981A
Authority: KR
Inventors: 이국녕; 김성은; 성우경; 송성아; 김영주; 남지혜
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-05-09
Also published as: KR102002697B1

Abstract

본 발명은 전기화학센서 전극 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, ITO 박막이 증착된 기판을 다이싱하여 하나 이상의 전극 칩을 제조하는 단계; 및 상기 전극 칩의 일단에서 일정 간격 이격된 중간 부분에 절연성 고분자물질을 부착하여 센서 전극, 절연 배선부 및 외부 연결전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 간단하고 저렴하게 ITO 전극기판으로 전기화학센서 전극을 제작할 수 있으며, 센서 전극의 면적 조절이 용이하다. 또한 작업전극(WE), 상대전극CE) 및 기준전극(RE)의 3개 세트로 구성된 3종 전극으로 모듈화하기 용이하므로 간단하고 저렴하게 대량제작도 가능하다.

Description

전기화학센서 전극 및 그의 제조방법{Electrode for electrochemical sensor and method for manufacturing the same}

본 발명은 바이오센서용 전기화학센서 전극 및 그를 제조하는 방법에 관한 기술이다.

종래 전기화학센서 전극은 반도체 공정을 이용하여 유리 기판이나 실리콘 기판 등에 작업전극(WE), 상대전극(CE), 기준전극(RE)을 박막 증착하고 패터닝하여 전극을 형성하는 방법을 사용하거나 플라스틱 기판에 스크린 프린팅 공정으로 카본 페이스트나 실버 페이스트를 이용하여 각 전극을 형성하는 방법으로 제작한다.

반도체 공정을 이용한 전기화학센서 제조 방법은 수십 마이크론에서 수밀리미터 크기의 전극 센서를 제작하기 용이한 장점이 있지만 Au나 Pt 등의 전극 소재의 박막 증착 공정시 수반되는 Ti 나 Cr 과 같이 귀금속이 아닌 접착 박막 층에 의한 전극 표면의 품질 제어가 어려운 단점이 있다. 또한 손쉽게 사용되는 카본 소재 기반의 스트립형 전극은 카본 페이스트에 혼합되는 불순물에 의해 일관된 특성을 갖는 우수한 전극을 제조하기 어려운 단점이 있다. 전극 영역 이외의 영역 즉 배선 등은 절연특성을 갖도록 제조해야 하므로 외부 인터페이스 연결 등에 추가적인 비용이 발생하므로 기존의 전기화학센서 전극은 제조 공정이 복잡해질 수 밖에 없고 저비용으로 전극센서의 대량 제작이 어렵고 전극 제조 단가를 낮추기 어려운 단점이 있다.

한편, 종래 선행기술로서, 대한민국 공개특허 제2007-0121980호는 전기화학적 바이오센서용 전극 제조방법 및 그에 따른 전극구조에 관한 것으로, 폴리에틸렌 필름 위에 작업전극과 기준전극의 재료인 구리필름을 라미네이팅 방식으로 접착하고 포토리소그래피 방식으로 선택적으로 전극을 패터닝 한 후 니켈도금, 금도금 방식을 이용하여 센서를 다수 배열 형성시켜 극히 낮은 저항을 가지는 전극을 균일하게 생산할 수 있는 방법을 개시하고 있으나, 상기 선행특허 역시 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 여전히 존재한다.

또한, 바이오센서에 적용시 노이즈 신호를 줄일 수 있고, 점착층없이 유기기판 위에 증착된 기판을 사용하고자 하는 기술적 필요성도 요구되고 있다.

대한민국 공개특허 제2007-0121980호 (2007. 12. 28)

따라서, 본 발명의 목적은 바이오센서용 전기화학센서 전극을 저렴하고 간단하게 제작할 수 있는 제조 방법 및 상기 제조방법으로 제조된 전기화학센서 전극을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 ITO 박막이 증착된 기판을 전극으로 사용함으로써 바이오센서에 적용시 노이즈 신호를 줄일 수 있고, 점착층없이 유기기판 위에 ITO 박막이 증착된 기판을 그대로 사용할 수 있는 전기화학센서 전극의 제조방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전기화학센서 전극의 제조방법은, ITO 박막이 증착된 기판을 다이싱하여 하나 이상의 전극 칩을 제조하는 단계; 및 상기 전극 칩의 일단에서 일정 간격 이격된 중간 부분에 절연성 고분자물질을 부착하여 센서 전극, 절연 배선부 및 외부 연결전극을 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 전기화학센서 전극의 제조방법에 있어서, 상기 ITO 박막이 증착된 기판을 다이싱하여 하나 이상의 전극 칩을 제조하는 단계 이후에, 지그에 상기 전극 칩을 배치하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 전기화학센서 전극의 제조방법에 있어서, 상기 전극 칩의 일단에서 일정 간격 이격된 중간 부분에 절연성 고분자물질을 부착하여 센서 전극, 절연 배선부 및 외부 연결전극을 형성하는 단계 이후에, 상기 지그에 배치된 전극 칩을 커팅하여 개별화하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 전기화학센서 전극의 제조방법에 있어서, 상기 절연성 고분자물질은 테플론 테입이고, 상기 전극 칩의 일단에서 일정 간격 이격된 중간 부분에 절연성 고분자물질을 부착하여 센서 전극, 절연 배선부 및 외부 연결전극을 형성하는 단계는, 상기 테플론 테잎을 롤링 방식으로 부착하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전기화학센서 전극의 제조방법에 있어서, 상기 센서 전극의 상부에 Ag/AgCl을 도포하여 기준전극(RE)을 제조하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시형태로서, 본 발명의 전기화학센서 전극은, ITO 박막이 증착된 기판의 일단에 형성된 센서 전극 또는 기준전극(RE); 상기 센서 전극의 하단에 연접하고, ITO 박막이 증착된 기판의 상부에 절연성 고분자물질이 부착된 절연 배선부; 및 상기 절연 배선부의 하단에 연접하고, ITO 박막이 증착된 기판의 타단에 형성된 외부 연결전극을 포함한다.

또한, 상기 센서 전극은 작업전극(WE) 또는 상대전극(CW)이고, 상기 기준전극(RE)은 상기 작업전극의 상부에 Ag/AgCl을 도포하여 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 절연성 고분자물질은 테플론 테입인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시형태로서, 본 발명의 전기화학센서 3전극 모듈은, 상기 기준전극(RE)을 구비한 전기화학센서 전극; 상기 작업전극(WE)을 구비한 전기화학센서 전극; 상기 상대전극(WE)을 구비한 전기화학센서 전극; 및 상기 각각의 전기화학센서 전극을 일체로 고정하는 3전극 고정용 지그를 포함한다.

본 발명의 전기화학센서 전극의 제조방법에 따르면, 간단하고 저렴하게 ITO 전극기판으로 전기화학센서 전극을 제작할 수 있다.

또한, 전극의 크기는 전극을 원하는 폭과 길이로 규격화하여 다이싱하는 공정만으로 조절할 수 있으며 전극 면적 제어는 테플론과 같은 내화학성이 매우 우수한 절연테이프를 부착하는 방식으로 매우 간단하게 의도한 전극면적을 갖도록 WE, CE 전극을 제작할 수 있으므로, 센서 전극의 면적 조절이 용이하다.

뿐만아니라, 작업전극(WE), 상대전극CE) 및 기준전극(RE)의 3개 세트로 구성된 3종 전극으로 모듈화하기 용이하므로 간단하고 저렴하게 대량제작도 가능하다.

본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조되는 전기화학센서 전극은 종래의 Au, Pt 등의 반도체 박막 증착 소재 대신에 ITO 전극을 사용하면 바이오센서에 적용시 노이즈 신호를 줄일 수 있고, 점착층없이 유기기판 위에 ITO 박막이 증착된 기판을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 기존의 전기화학센서 전극 모듈 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 ITO 전극 다이싱과 내화학성 테플론 테이프를 이용하여 간단하게 제작하는 전기화학센서 전극 공정도를 나타낸다.
도 3은 제작된 전극 구조도(좌)이고, RE 전극은 센서 전극의 상부에 추가로 Ag/AgCl 도포하여 제작된 구조도(우)이다.
도 4는 3전극 모듈의 제작 실시예를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

도 1은 일반적인 스트립형 전기화학센서 전극 구조를 보여준다. WE, CE, RE 전극으로 구성되어 있으며 WE과 CE는 Au, Pt, Carbon 등을 소재로 동일한 소재 혹은 혼용하여 제작되며, RE는 기준전극의 특성상 Ag/AgCl로 제작이 된다. 전극 면적만 외부에 드러나도록 해야 하므로 배선 등은 절연 소재로 보호하는 구조로 되어 있으며 외부 측정 기기와의 연결을 위해 컨택용 패드 전극으로 통상 구성된다. 제조 단가를 저렴하게 하기 위해 플라스틱 기판 상에 스크린 프린팅으로 제작하는 것이 일반적이지만 제조 단가가 비싸고 특히 바이오센서로 적용시 전극칩 세척과정에서 사용하는 유기 용매 등의 화학시료에 절연 박막이 녹는 문제가 발생하므로 범용적으로 활용하기 어려운 단점이 있다.

본 발명에서는 전극의 박막 재료적 특성이 우수한 ITO 전극 기판을 사용하고 다이싱(Dicing) 크기만으로 전극 면적을 간단하게 결정할 수 있고, 배선 절연을 위한 절연 박막으로 화학적 내구성이 매우 우수한 테플론 테입이나 박막형성 공정으로 간단하게 제작할 수 있는 방법을 사용한다.

상기 다이싱 공정을 수행하는 방법이나 장치는 특별히 제한되지 않고 이 기술분야에 널려 알려진 것을 모두 포함한다. 예를 들면, 반도체 집적회로 및 MEMS(micro electro mechanical system)를 형성하는 실리콘 웨이퍼 등과 같은 가공물을 커팅하기 위한 다이싱 방법에 있어서, 다이아몬드 연삭 입자들을 매립하는 다이싱 블레이드를 사용하는 다이싱 방법이 사용될 수 있고, 또는 레이저를 이용한 다이싱 방법이 사용될 수 있다.

도 2는 다이싱 공정으로 ITO 전극 크기를 균일하게 제작하는 공정과 테플론 테이프와 같은 내화학성 절연 소재로 배선 보호 공정을 양산화할 수 있는 개념도를 보여준다. 일정한 면적의 전극을 형성하기 위해 다이싱으로 개별화된 칩을 지그에 안착하여 위치를 일정하게 배열하고 의도한 영역에 내화학성 절연테이프를 부착하는 방식으로 일정한 크기의 전극을 대량 제작할 수 있다. 이때, 칩과 칩 사이를 커팅하여 개별화할 수 있다. 한편, WE, CE 전극과는 달리 RE 전극은 전극 소재가 Ag/AgCl 등과 같이 제한적이므로 WE 전극에 Ag/AgCl 전극을 페이스트 도포나 스크린 프린팅 방법으로 대량 제작하는 것이 가능하다.

도 3은 최종 제작된 개별 전극 칩의 구조를 보여준다. WE, CE는 동일한 구조일 수 있으며 CE 전극의 면적이 더 크게 할 경우 다이싱 폭을 넓게 하는 형태로 크기를 조절하는 것도 가능하다.

도 4는 WE, CE, RE 3전극으로 구성되는 전기화학센서 모듈의 일실시예를 보여준다. 3개의 칩을 고정형 지그부로 고정하여 전극모듈 제작을 완성할 수 있다. 전극패드의 크기는 전극칩의 폭과 길이에 의해 기 결정되므로 전기화학센서 측정기의 연결부가 이의 피치와 상이할 경우 PCB 지그를 추가로 활용하여 소켓 구조에 적합한 모듈로 간단하게 구성하는 것도 간단하다. 이로써 매우 간단하고 저렴하고 용이한 방법으로 바이오센서용 전기화학센서 모듈을 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조되는 전기화학센서 전극은 종래의 Au, Pt 등의 반도체 박막 증착 소재 대신에 ITO 전극을 사용하면 바이오센서에 적용시 노이즈 신호를 줄일 수 있고, 점착층없이 유기기판 위에 ITO 박막이 증착된 기판을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 따라서, ITO 기판은 Dispaly 산업 등에서 대형 기판 상에 높고 안정적인 전기전도성 특성을 갖는 박막 기판 제조 공정에 그대로 활용할 수 있으므로, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 매우 저렴하게 전극 제작이 가능한 장점이 있다.

또한, 전극의 크기는 전극을 원하는 폭과 길이로 규격화하여 다이싱하는 공정만으로 조절할 수 있으며, 전극 면적 제어는 테플론과 같은 내화학성이 매우 우수한 절연테이프를 부착하는 방식으로 매우 간단하게 의도한 전극면적을 갖도록 WE, CE 전극을 제작할 수 있다. 다이싱 되는 기판의 크기로 전극 모듈형태로 제작이 용이하며 기준전극인 RE는 ITO 전극 상부에 추가로 실버 페이스트(Ag paste)나 Ag/AgCl 페이스트 도포 공정으로 동일한 크기의 전극을 제작할 수 있다.

이렇게 각각의 전극 칩은 WE, CE, RE 3전극 구성으로 모듈화하여 전기화학센서 전극으로 제작하는데 외부 지그와의 연결을 위해 PCB 등에 전도성 접착제나 소켓형으로 체결하여 3종 전극으로 모듈화하기 용이하므로 간단하게 저렴하게 대량제작도 가능하다.

한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims

ITO 박막이 증착된 기판을 다이싱하여 하나 이상의 전극 칩을 제조하는 단계; 및
상기 전극 칩의 일단에서 일정 간격 이격된 중간 부분에 절연성 고분자물질을 부착하여 센서 전극, 절연 배선부 및 외부 연결전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 전기화학센서 전극의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 ITO 박막이 증착된 기판을 다이싱하여 하나 이상의 전극 칩을 제조하는 단계 이후에, 지그에 상기 전극 칩을 배치하는 단계;
를 더 포함하는 전기화학센서 전극의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 전극 칩의 일단에서 일정 간격 이격된 중간 부분에 절연성 고분자물질을 부착하여 센서 전극, 절연 배선부 및 외부 연결전극을 형성하는 단계 이후에, 상기 지그에 배치된 전극 칩을 커팅하여 개별화하는 단계;
를 더 포함하는 전기화학센서 전극의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 절연성 고분자물질은 테플론 테입이고,
상기 전극 칩의 일단에서 일정 간격 이격된 중간 부분에 절연성 고분자물질을 부착하여 센서 전극, 절연 배선부 및 외부 연결전극을 형성하는 단계는, 상기 테플론 테잎을 롤링 방식으로 부착하는 것을 특징으로 하는 전기화학센서 전극의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 센서 전극의 상부에 Ag/AgCl을 도포하여 기준전극(RE)을 제조하는 단계:
를 더 포함하는 전기화학센서 전극의 제조방법.
ITO 박막이 증착된 기판의 일단에 형성된 센서 전극 또는 기준전극(RE);
상기 센서 전극의 하단에 연접하고, ITO 박막이 증착된 기판의 상부에 절연성 고분자물질이 부착된 절연 배선부; 및
상기 절연 배선부의 하단에 연접하고, ITO 박막이 증착된 기판의 타단에 형성된 외부 연결전극;
을 포함하는 전기화학센서 전극.
제6항에 있어서,
상기 센서 전극은 작업전극(WE) 또는 상대전극(CW)이고,
상기 기준전극(RE)은 상기 작업전극의 상부에 Ag/AgCl을 도포하여 제조된 것을 특징으로 하는 전기화학센서 전극.
제6항에 있어서,
상기 절연성 고분자물질은 테플론 테입인 것을 특징으로 하는 전기화학센서 전극.
제7항에 따른 기준전극(RE)을 구비한 전기화학센서 전극;
제7항에 따른 작업전극(WE)을 구비한 전기화학센서 전극;
제7항에 따른 상대전극(WE)을 구비한 전기화학센서 전극; 및
상기 각각의 전기화학센서 전극을 일체로 고정하는 3전극 고정용 지그;
를 포함하는 전기화학센서 3전극 모듈.